Een team van onderzoekers van Laroche Laboratory, Université Paris Diderot en Université de Lyon hebben onlangs de eerste metingen verzameld van de resonantiefrequenties van een stabiele torus van vloeistof. De methode die ze gebruikten om deze waarnemingen te verzamelen, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou de modellering mogelijk maken van een verscheidenheid aan grootschalige structuren die tijdelijk in vortexringen ontstaan.

Vortexringen zijn torusvormige vortexen die in verschillende omgevingen in zowel vloeistoffen als gassen kunnen voorkomen. In de natuur, er zijn verschillende voorbeelden van deze vortexringen, inclusief door duikers of dolfijnen geproduceerde onderwaterbellenringen, rook ringen, en bloedringen in het menselijk hart.

"Hoewel is aangetoond dat de dynamiek van een vortexring wordt gedomineerd door grootschalige structuren aan de rand, de mechanismen die hun uiterlijk bepalen, worden niet goed begrepen, grotendeels weerspiegelend de experimentele moeilijkheden bij het genereren van een stabiele vloeibare torus onder goed gecontroleerde omstandigheden, "Eric Valk, een van de onderzoekers die de recente studie hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het is in deze context dat we een vloeibare ring stabiel wilden maken."

Vortexringen werden voor het eerst diepgaand geanalyseerd door natuurkundige Hermann von Helmholtz. Vanaf dat moment, verschillende onderzoekers hebben hun vorming uitgebreid bestudeerd, dynamiek en botsingen.

Eerdere studies hebben aangetoond dat het mogelijk is om kortstondige vortexringen te genereren in een laboratoriumomgeving door een vloeistof uit een gat te duwen, door een vaste schijf in een vloeistof in rust te laten botsen, of wanneer een vloeistofdruppel in een andere vloeistof valt. Echter, de vloeistofring die tijdens deze experimenten ontstaat, wordt snel onstabiel en valt uiteen in individuele druppeltjes.

"Vortex ringen, zoals rookringen, zijn alomtegenwoordig in de natuur, maar hun dynamiek is nog niet goed begrepen, deels vanwege hun voorbijgaande aard, " zei Falcon. "In onze studie, we waren in staat om stabiel een ring (of torus) van vloeistof te genereren met behulp van een vloeibaar metaal, waardoor we de frequenties konden bestuderen waarop de torus van vloeistof reageert."

Om een ​​stabiele vloeistoftorus te vormen die na verloop van tijd niet snel zou verdwijnen, Falcon en zijn collega's gebruikten kwik, een vloeibaar metaal dat de oppervlakken waarmee het in contact komt niet nat maakt. De onderzoekers injecteerden kwik aan de rand van een vaste cilinder en dit vormde een stabiele vloeistofring. De massieve cilinder verhinderde golvingen van de binnenste periferie van de torus die anders geen opsluiting zou hebben om het oppervlak te minimaliseren.

"Deze nieuwe techniek stelde ons in staat om de eerste metingen uit te voeren van de resonantiefrequenties van een torus van vloeistof die onderhevig is aan trillingen:de vloeistofring ziet oscillaties verschijnen aan de buitenrand, deze lobvormige patronen worden versterkt op bepaalde zogenaamde resonantiefrequenties, ’ legde Valk uit.

De buitendiameter van de vloeibare torus die ze waarnamen, was ongeveer 4 cm en de hoogte-breedteverhouding was ongeveer twee keer zo groot als die van een typische snoepgoeddonut. De vloeistofring die ze creëerden rustte op een plaat die verticaal trilt, met een frequentie en amplitude van minder dan 65 Hz en 0,5 mm, respectievelijk. De versnelling die overeenkomt met deze trilling is kleiner dan de helft van de versnelling van de zwaartekracht van de aarde.

Falcon en zijn collega's gebruikten een op laser gebaseerde optische meetmethode om de horizontale oscillaties aan de buitenrand van de torus nauwkeurig te meten. Ze waren ook in staat om een ​​directe visualisatie van de vortex te bereiken met behulp van een camera die direct boven de vloeistofring was geplaatst.

"Met behulp van deze nauwkeurige optische methode, we waren in staat om tot 25 lobben te observeren die zich aan de periferie van de ring voordoen naarmate de trillingsfrequentie toeneemt en we waren in staat om de overeenkomstige zones van instabiliteit te karakteriseren, ' zei Valk.

Toen ze hun observaties verzamelden, de onderzoekers probeerden ze te interpreteren op basis van bestaande natuurkundige theorieën. Door hun experimentele resultaten te vergelijken, ze hebben met succes het gebruikelijke druppelmodel, voorgesteld door Lord Rayleigh in 1879, aangepast aan een torus van vloeistof. Dankzij hun metingen konden ze indirect de geometrische eigenschappen van de torus afleiden.

De unieke metingen die door Falcon en zijn collega's zijn verzameld, kunnen verschillende interessante implicaties hebben, zowel voor vloeistofmechanica als andere gebieden van natuurkundig onderzoek. Bijvoorbeeld, hun aanpak zou kunnen worden gebruikt om grootschalige structuren te modelleren die tijdelijk verschijnen in vortexringen die in verschillende gebieden zijn bestudeerd, inclusief plasmafysica, biofysica of geofysica.

"In de nabije toekomst, ons experiment is gemakkelijk aan te passen om de vaste interne opsluiting te verwijderen (vervangen door een toroidale potentiaal) en om de vloeistof een roterende stroom op te leggen tussen de polen van de vloeistofring ("poloïdale vorticiteit"), door simpelweg een elektromagnetische kracht op het vloeibare metaal uit te oefenen, " zei Falcon. "Deze configuratie zou dan in staat moeten zijn om de oorsprong van deze grootschalige tijdelijke structuren in vortexringen die in de natuur worden waargenomen nauwkeuriger te onthullen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk